設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LM317和AT89C51的數(shù)字顯示可調(diào)穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)包含主電源和輔助電源模塊、電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理和數(shù)字顯示模塊的設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果證明系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1、引言

直流穩(wěn)壓電源是能夠保證在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出穩(wěn)定的電壓的常用的電子設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于儀器儀表、工業(yè)控制及測(cè)量領(lǐng)域中。故設(shè)計(jì)、制造一個(gè)低紋波、高精度的直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地位。

2、設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源的要求具有輸出電流大、輸出電阻小、穩(wěn)壓系數(shù)低的特點(diǎn)，并將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)LED直觀的顯示出來(lái)，使整個(gè)電源更加人性化。設(shè)計(jì)的具體參數(shù)要求為：輸出電壓在1.5伏至30伏連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流可至1.5安，穩(wěn)壓系數(shù)小于0.01，輸出電阻小于0.1歐，顯示精度達(dá)到0.2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1、總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包含主電源和輔助電源模塊的設(shè)計(jì)、電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)和信號(hào)處理和數(shù)字顯示模塊的設(shè)計(jì)。主電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用來(lái)對(duì)外部負(fù)載供電，輔助電源為設(shè)備內(nèi)部的其他模塊供電。電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊先把輸出電壓轉(zhuǎn)變到單片機(jī)可處理的電壓范圍，然后把模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)處理和數(shù)字顯示模塊把送來(lái)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸出顯示。電路的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

3.2、主電源和輔助電源電路設(shè)計(jì)

主電源用來(lái)對(duì)外部負(fù)載供電，輔助電源為設(shè)備內(nèi)部的其他模塊供電，這樣電壓轉(zhuǎn)換和處理顯示模塊的信號(hào)就不會(huì)受到負(fù)載變化的影響。電路都包含變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)，不同之處在于主電路的的穩(wěn)壓模塊為可調(diào)穩(wěn)壓，輔助電源為固定穩(wěn)壓。主電源電路中的核心是LM317可調(diào)節(jié)三端穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍為1.2伏到37伏時(shí)能提供超過(guò)1.5安的電流，此穩(wěn)壓器非常易于使用，只需要兩個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓，此外還使用內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償機(jī)制防止燒壞芯片。穩(wěn)壓輸出電壓由式1給出：

因?yàn)檎{(diào)節(jié)電流在式中代表誤差項(xiàng)，所以LM317在設(shè)計(jì)時(shí)就把控制在100uA以內(nèi)并使之保持恒定。R2的典型值是240歐，所以就可以根據(jù)要求的輸出電壓來(lái)求出調(diào)節(jié)電阻RV1的大小，本設(shè)計(jì)中要求最高輸出30伏的電壓，故RV1的值應(yīng)該為5.6千歐。

電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊與主機(jī)和數(shù)字顯示電路模塊需要獨(dú)立穩(wěn)定的正負(fù)5伏電源，這里以7805和7905為核心，設(shè)計(jì)了有對(duì)稱輸出的輔助電源電路。

3.3、電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

一般情況下穩(wěn)壓電源輸出的直流電壓需要用外接電壓表或萬(wàn)用表來(lái)顯示電壓，本設(shè)計(jì)為了讓穩(wěn)壓電源使用更加便利和直觀，專門設(shè)計(jì)了顯示電路，把輸出電壓實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。單片機(jī)處理的信號(hào)是5伏以內(nèi)的數(shù)字信號(hào)，故先要對(duì)電源的輸出電壓進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

電路中用運(yùn)放AD822S構(gòu)成兩個(gè)反相比例運(yùn)算電路，其中輸出電壓和輸入電壓的的關(guān)系如式2所示：

為了把電源輸出的最大為30伏電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?伏的電壓，R31在1.66千歐左右，具體的阻值可以結(jié)合后面的模數(shù)轉(zhuǎn)換電黃盧記：講師碩士研究生路的需要進(jìn)行微調(diào)來(lái)提高顯示精度。

從電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓依然是模擬電壓，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字電壓信號(hào)，并傳送至單片機(jī)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以ADC0804為核心，將電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓連接至VIN+引腳，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)口送至單片機(jī)AT89C51的Port2。ADC0804的RD、WR和INTR分別連接到單片機(jī)的RXD、TXD和INTR，以查詢方式檢測(cè)ADC0804是否完成轉(zhuǎn)換，也可以采用中斷方式進(jìn)行處理。

3.4、信號(hào)處理和數(shù)字顯示電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理和數(shù)字顯示模塊的核心是AT89C51。從電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路傳送至AT89C51的Port2的信號(hào)是與模擬電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。如圖6所示，該信號(hào)經(jīng)過(guò)AT89C51的處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的顯示驅(qū)動(dòng)編碼，通過(guò)Port0傳送至四位共陽(yáng)極七段LED數(shù)碼管的數(shù)據(jù)總線上，掃描信號(hào)則通過(guò)P1.0~P1.3分別接至Q1~Q4的基極上，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

3.5、系統(tǒng)電路

系統(tǒng)的整體硬件電路如圖2所示：

4、軟件設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)的處理主要靠主機(jī)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)包含查詢讀取模塊、求值運(yùn)算和輸出顯示模塊的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)后續(xù)程序的需要做一些全局設(shè)置，然后用查詢方式從ADC0804采集數(shù)字信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，最后把運(yùn)算的結(jié)構(gòu)輸出顯示。其中轉(zhuǎn)換查詢讀取及數(shù)值計(jì)算在主程序中實(shí)現(xiàn)，輸出顯示用顯示函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5、系統(tǒng)測(cè)試

5.1、性能指標(biāo)

系統(tǒng)的測(cè)試包含三個(gè)方面。第一是對(duì)穩(wěn)壓電路輸出電壓和最大輸出電流的測(cè)試;第二部是對(duì)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓質(zhì)量的測(cè)試，第三是對(duì)顯示精確度的測(cè)試。在對(duì)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓質(zhì)量的測(cè)試中，從三個(gè)方面考察其穩(wěn)壓特性，一是電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，檢測(cè)其輸出電壓是否穩(wěn)定，一般用式3所確定的穩(wěn)壓系數(shù)Sr進(jìn)行度量;另一方面是負(fù)載變化時(shí)，其輸出電壓是否穩(wěn)定，一般用式4所確定的輸出電阻Ro進(jìn)行度量;第三方面是測(cè)試直流輸出電壓中交流分量的大小，一般用式5所確定的波紋系數(shù)δ進(jìn)行度量。顯示模塊所顯示的數(shù)值與穩(wěn)壓電源輸出電壓實(shí)際值的誤差大小表示儀表質(zhì)量的高低，一般式5所確定的準(zhǔn)確度K進(jìn)行度量。

5.2、測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)得數(shù)據(jù)如表一表二所示

表一輸出參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果證明，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6、結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能可靠、輸出可調(diào)、操作簡(jiǎn)便，顯示直觀的特點(diǎn)，可以用在對(duì)直流電壓要求相對(duì)較高的各種精密設(shè)備上。